工程機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

朱建國

摘要：液壓系統(tǒng)作為一種能量轉(zhuǎn)換和控制方式，具有功率密度大、調(diào)節(jié)范圍廣、控制性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著能量損耗的問題。在提倡節(jié)能環(huán)保的今天，如何采取有效措施提高液壓系統(tǒng)的能源利用率，減少能量損耗是十分重要而現(xiàn)實(shí)的問題。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；液壓節(jié)能技術(shù)

前言

目前的工程機(jī)械摒棄了過去單一的作業(yè)模式，不論是在數(shù)量還是種類上均有明顯提高，但其能耗大、對環(huán)境造成污染等問題也隨之暴露出來。為了有效保護(hù)環(huán)境，合理利用資源，對工程機(jī)械采取節(jié)能減排措施是不二途徑。工程機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展是節(jié)能減排的重要途徑。

1 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

1.1 變量泵控制節(jié)能技術(shù)

當(dāng)工程機(jī)械施工空間受限時(shí)，可采用調(diào)節(jié)變量泵的排量、控制壓力感應(yīng)、調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率等方法減少能源消耗。利用變量泵進(jìn)行液壓節(jié)能優(yōu)點(diǎn)較多，如操作方便、時(shí)效性強(qiáng)、節(jié)能效率高等，因此在工程機(jī)械中應(yīng)用較為廣泛。變量泵主要三種類型，分別為排量控制、LS負(fù)載敏感控制以及LUDV控制。

（1）排量控制

排量控制是通過直接改變變量泵排量的方式，使控制壓力達(dá)到所需要的排量值，排量控制主要包括負(fù)流量控制和正流量控制兩種方式。第一，負(fù)流量控制。負(fù)流量控制系統(tǒng)最初應(yīng)用在挖掘機(jī)上，該系統(tǒng)可消除開中心六通多路閥工作時(shí)產(chǎn)生的旁路節(jié)流損失。相對于傳統(tǒng)的恒功率變量控制來說，負(fù)流量控制克服了泵總在最大流量、最大功率、最大壓力下工作的極端狀態(tài)，取得了十分明顯的節(jié)能效果。負(fù)流量系統(tǒng)的主控制閥的中位流量輸出端口是輸入信號采集點(diǎn)，這是系統(tǒng)中的旁通回路，當(dāng)主控制閥動(dòng)作引起節(jié)流口流量增加時(shí)，節(jié)流口前的壓力升高，活塞將閥芯推至左側(cè)，系統(tǒng)工作口更換為右端，這就使得泵出口的部分油液通過閥右端工作位進(jìn)入變量活塞右腔內(nèi)，活塞被動(dòng)向左側(cè)移動(dòng)，泵的輸出量將少。反之，若節(jié)流口流量壓力降低時(shí)，泵的排量會(huì)增大。節(jié)流口壓力信號位于主閥旁出口，因此只有當(dāng)主控制閥動(dòng)作時(shí)，泵的流量才會(huì)改變。第二，正流量控制系統(tǒng)。正流量控制系統(tǒng)是以負(fù)流量控制技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，該技術(shù)特點(diǎn)是操作手柄的先導(dǎo)壓力能對轉(zhuǎn)向閥和泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，該技術(shù)應(yīng)用的典型代表是德國的RexrothA8V系列主泵及M8開中心系列主閥所組成的系統(tǒng)。正流量控制調(diào)節(jié)泵的壓力信號自先導(dǎo)閥發(fā)出，而泵與主控制閥的動(dòng)作具有高度一致性，這就決定了正流量控制敏感性要優(yōu)于負(fù)流量控制。另一方面，負(fù)流量控制系統(tǒng)中，節(jié)流口壓力信號壓力值為5～6MPa，此壓力只用于產(chǎn)生負(fù)流量控制信號；而正流量系統(tǒng)中沒有此裝置，它的回油壓力僅為背壓（一般為0.5MPa左右），因此正流量控制比負(fù)流量控制節(jié)能。

（2）LS負(fù)荷敏感控制

LS負(fù)荷敏感控制可以把輸出壓力、流量以及負(fù)載的需求調(diào)節(jié)為一致的，以達(dá)到提高液壓系統(tǒng)工作效率的目的。但是該LS負(fù)荷敏感控制方式存在缺點(diǎn)，當(dāng)液壓閥的開口過大時(shí)，或者是供油量沒有到達(dá)系統(tǒng)要求時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響負(fù)荷元件的運(yùn)動(dòng)速度，從而打破液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定，所以當(dāng)工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)流量很大時(shí)不能應(yīng)用LS負(fù)荷敏感控制方式進(jìn)行液壓節(jié)能。

（3）LUDV控制

LUDV系統(tǒng)可以彌補(bǔ)LS負(fù)荷敏感控制存在的不足，該系統(tǒng)是單泵單回路系統(tǒng)，區(qū)別于其他的負(fù)載傳感系統(tǒng)，LUDV系統(tǒng)是在節(jié)流閥的后面設(shè)置了壓力補(bǔ)償閥。負(fù)載壓力信號決定了該系統(tǒng)中梭閥的極限壓力。所以LUDV系統(tǒng)在負(fù)載變化不大的機(jī)械中應(yīng)用較多，如小型裝載機(jī)和小型挖掘機(jī)。

1.2 混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)

液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)工作效率較低，系統(tǒng)與負(fù)載的匹配度較差，存在燃油消耗高、排放差的問題。為解決這些問題，國外各工程機(jī)械生產(chǎn)商提出了利用混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)。油電混合是借助蓄電池、超級電容等儲(chǔ)能元件，在小負(fù)載工況下由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向儲(chǔ)能元件蓄能，在大負(fù)載工況下再將儲(chǔ)存的能量釋放出來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，作為輔助動(dòng)力與柴油機(jī)一起滿足峰值負(fù)載功率的要求，或者用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)輸出功率和扭矩的均衡控制。典型代表如：小松HB205-1混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)，顯著降低油耗及二氧化碳排放；卡特彼勒336E型混合動(dòng)力挖掘機(jī)，油耗比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型降低了達(dá)25%，噪聲也降低劍65.2dB：6120BH型混合動(dòng)力挖掘機(jī)使用了液壓一電氣再生和獨(dú)特的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，降低大約25%燃油消耗。油電混合可使內(nèi)燃機(jī)工作點(diǎn)始終位于經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，且可利用電機(jī)控制技術(shù)，對每一個(gè)液壓缸都采用閉式傳動(dòng)控制，從而取消了多路閥控制，消除了閥內(nèi)節(jié)流損失，同時(shí)可以對回轉(zhuǎn)動(dòng)能、工作裝置重力勢能等進(jìn)行回收。但其具有能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、損失較大、系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)要求高、制造成本大等缺點(diǎn)，從而制約了混合動(dòng)力技術(shù)在工程機(jī)械上的廣泛應(yīng)用。

1.3 電液比例閥控制節(jié)能技術(shù)

在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中應(yīng)用電液比例閥可以簡化液壓信號的傳遞管道，從而應(yīng)用電信號傳遞液壓數(shù)據(jù)，縮短響應(yīng)時(shí)間，更有利于工程機(jī)械的操作。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大進(jìn)步，可以將計(jì)算機(jī)與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電液控制智能化，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓油壓和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過具體數(shù)據(jù)對工程機(jī)械進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力調(diào)整，保證液壓系統(tǒng)時(shí)刻工作在高效、節(jié)能的狀態(tài)，避免能量浪費(fèi)。所以，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，發(fā)展電液比例控制智能化是未來主要發(fā)展趨勢。

1.4 多路閥組合節(jié)能技術(shù)

多路閥作為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的核心控制元件，其改進(jìn)和研究工作一直備受關(guān)注。國內(nèi)外眾多學(xué)者在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和技術(shù)上對其進(jìn)行不斷的改進(jìn)，取得了較為理想的成果。

（1）國外研究進(jìn)展

德國Linde公司對閥體流道的制作工藝進(jìn)行了新的嘗試，先利用激光對數(shù)片金屬薄板進(jìn)行切割，然后將切割好的薄板進(jìn)行組合組合形成流道，該制作方式不同于傳統(tǒng)的鑄造工藝，極大的降低了流體阻力；韓國斗山重工開發(fā)了一套閥口面積計(jì)算軟件，軟件能通過一系列參數(shù)對挖掘機(jī)多路閥的主閥閥門面積進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)控制，有效減小了壓降和流量損失，使能量利用率提高了16%；整體式多路閥的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造難度大、產(chǎn)品成功率低且流阻大，在未來的發(fā)展中多路閥可能會(huì)向分片式結(jié)構(gòu)回歸，即將各換向閥片分開，直接安裝在各自執(zhí)行元件上，將管路引至各閥。這樣可以降低閥體鑄造難度、減小流阻損失，達(dá)到更加可靠、節(jié)能、高效的目的。

（2）國內(nèi)研究進(jìn)展

近年來，蘭州理工大學(xué)針對工程機(jī)械液壓系統(tǒng)減振和主控制閥開展了連續(xù)的研究工作。研發(fā)人員提出新的滑閥節(jié)流槽閥口面積計(jì)算方法，閥口流量系數(shù)隨閥口形狀、閥口開度、流動(dòng)方向不同存在明顯地規(guī)律性變化，在主控制閥上采用了非對稱的進(jìn)出閥口面積曲線、閥口異步關(guān)閉、多級加（減）速、變面積梯度、導(dǎo)閥正開口、背壓制動(dòng)等方法有效解決了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)問題。

2 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢

2.1 自動(dòng)化、機(jī)電一體化提高

未來，科技的進(jìn)步與發(fā)展必然會(huì)促進(jìn)工程機(jī)械技術(shù)的提高，同時(shí)，其也將液壓節(jié)能技術(shù)朝著智能化方向發(fā)展。工程機(jī)械液壓技能技術(shù)在今后會(huì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相互配合，使自身的制動(dòng)檢測功能得到提高，進(jìn)而在檢測上更具有準(zhǔn)確性、可靠性和系統(tǒng)性，對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在一個(gè)高效節(jié)能的工作狀態(tài)，這不但有助于液壓挖掘機(jī)面對不同的工作環(huán)境進(jìn)行制動(dòng)控制，同時(shí)也促使工作效率的提高。這就需要設(shè)計(jì)工作人員在設(shè)計(jì)上投入更多的精力，增加其嚴(yán)密性與安全性，進(jìn)而將工程機(jī)械節(jié)能技術(shù)更加智能化。

2.2 依據(jù)功率匹配實(shí)現(xiàn)液壓節(jié)能

就工程機(jī)械而言，系統(tǒng)的功率匹配問題是對液壓節(jié)能技術(shù)影響最大的因素。在調(diào)節(jié)過程中，如果要合理匹配發(fā)動(dòng)機(jī)與泵，就要合理調(diào)節(jié)泵的排量，同時(shí)泵排量的調(diào)節(jié)也需要系統(tǒng)負(fù)載與泵相互配合，因而這也就為調(diào)節(jié)兩者帶來了新的困難?，F(xiàn)階段，變量泵與負(fù)載敏感系統(tǒng)普遍運(yùn)用于大多數(shù)挖掘機(jī)中的。負(fù)載敏感系統(tǒng)在對泵的要求上更為嚴(yán)格，要求其能很好地適應(yīng)系統(tǒng)流量與來自負(fù)載壓力，進(jìn)而讓泵和負(fù)載相互匹配，并根據(jù)匹配的功率對發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行確定，達(dá)到對工程機(jī)械中發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，使系統(tǒng)全局功率高度匹配。

3 結(jié)語

在未來，機(jī)械工程需要做到節(jié)能、高效、重環(huán)保，這也是目前，機(jī)械工程想要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)所在。具體來說，在設(shè)計(jì)活動(dòng)的中，當(dāng)機(jī)械需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，工作人員需要根據(jù)其對環(huán)境所造成的影響進(jìn)行分析探討，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)。依據(jù)現(xiàn)代的科技作為支撐，促使液壓系統(tǒng)能夠在計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子以及新材料技術(shù)等多樣化的技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效與工作效率的共同發(fā)展。